系统架构设计师:计算机系统基础知识--系统工程方法

1.系统工程方法是一种现代的科学决策方法，也是一门基本的决策技术。系统工程方法分门别类地处理将要解决的问题及相关情况并确定边界，又强调把握各门类之间和各门类内部诸因素之间的内在联系的完整性与整体性，否定片面和静止的观点和方法。在此基础上，它针对主要问题、主要情况和全过程，运用有效工具进行全面的分析和处理。系统工程方法的特点是整体性、综合性、协调性、科学性和实践性。系统工程方法是人类在自然科学和社会科学领域，不断实践中产生的一系列科学处理问题的方法，它包括整体观念、综合观念、科学观念和创新观念等。

2.霍尔的三维结构

霍尔三维结构又称霍尔的系统工程，是美国系统工程专家霍尔（A.D.Ha11）等人在大量工程实践的基础上，于1969年提出的一种系统工程方法论。后人将其与软系统方法论对比，称为硬系统方法论（HardSystem Methodology，HSM）。其内容可以直观展示在系统工程各项工作内容的三维结构图中。霍尔三维结构集中体现了系统工程方法的系统化、综合化、最优化、程序化和标准化等特点，是系统工程方法论的重要基础内容。

霍尔三维结构是将系统工程整个活动过程分为前后紧密衔接的7个阶段和7个步骤，同时还考虑了为完成这些阶段和步骤所需要的各种专业知识和技能。这样，就形成了由时间维、逻辑维和知识维组成的三维空间结构。其中，时间维表示系统工程活动从开始到结束按时间顺序排列的全过程，分为规划、拟订方案、研制、生产、安装、运行、更新7个时间阶段。逻辑维是指时间维的每个阶段内所要进行的工作内容和应该遵循的思维程序，包括明确问题、确定目标、系统综合、系统分析、优化、决策、实施7个逻辑步骤。知识维需要运用包括工程、医学、建筑、商业、法律、管理、社会科学、艺术等各种知识和技能。三维结构体系形象地描述了系统工程研究的框架，对其中任意一个阶段和步骤又可进一步展开，形成了分层次的树状体系。

3.切克兰德方法

20世纪40一60年代，系统工程主要用来寻求各种“战术”问题的最优策略，或用来组织和管理大型工程建设项目，最适合应用霍尔方法论。

进入20世纪70年代以来，系统工程越来越多地用于研究社会经济发展战略和组织管理问题，涉及的人、信息和社会等因素相当复杂，使得系统工程的对象系统软化，并导致其中的许多因素难以量化。从70年代中期开始，许多学者在霍尔方法论基础上，进一步提出了各种软系统工程方法论。80年代中前期由英国P.切克兰德（P.Checkland）提出的方法比较系统且具有代表性。

P.切克兰德认为完全按照解决工程问题的思路来解决社会问题或“软科学”问题，会碰到许多困难，尤其在设计价值系统、模型化和最优化等步骤方面，有许多因素很难进行定量分析。

P.切克兰德把霍尔方法论称为“硬科学”的方法论，他提出了自己的方法论，并把它称之为

“软科学”方法论。

社会经济系统中的问题往往很难和工程技术系统中的问题一样，事先将需求确定清楚，难以按价值系统的评价准则设计出符合这种需求的最优系统方案。切克兰德方法论的核心不是

“最优化”而是“比较”与“探寻”。从模型和现状的比较中来学习改善现状的途径。“比较”这一步骤，含有组织讨论、听取各方面有关人员意见的意思，不拘泥于非要进行定量分析的要求，能更好地反映人的因素和社会经济系统的特点。

4.切克兰德方法将工作过程分为7个步骤。

（1）认识问题。收集与问题有关的信息，表达问题现状，寻找构成和影响因素及其关系，以便明确系统问题结构、现存过程及其相互之间的不适应之处，确定有关的行为主体和利益主体。

（2）根底定义。初步弄清、改善与现状有关的各种因素及其相互关系。根底定义的目的是弄清系统问题的关键要素以及关联因素，为系统的发展及其研究确立各种基本的看法，并尽可能选择出最合适的基本观点。

（3）建立概念模型。在不能建立精确数学模型的情况下，用结构模型或语言模型来描述系统的现状。概念模型来自于根底定义，是通过系统化语言对问题抽象描述的结果，其结构及要素必须符合根底定义的思想，并能实现其要求。

（4）比较及探寻。将现实问题和概念模型进行对比，找出符合决策者意图且可行的方案或途径。有时通过比较，需要对根底定义的结果进行适当修正。

（5）选择。针对比较的结果，考虑有关人员的态度及其他社会、行为等因素，选出现实可行的改善方案。

（6）设计与实施。通过详尽和有针对性的设计，形成具有可操作性的方案，并使得有关人员乐于接受和愿意为方案的实现竭尽全力。

（7）评估与反馈。根据在实施过程中获得的新认识，修正问题描述、根底定义及概念模型等。

5.并行工程方法

并行工程（Concurrent Engineering）是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术。它要求产品开发人员从设计开始就考虑产品生命周期的全过程，不仅考虑产品的各项性能，如质量、成本和用户要求，还应考虑与产品有关的各工艺过程的质量及服务的质量。它通过提高设计质量来缩短设计周期，通过优化生产过程来提高生产效率，通过降低产品整个生命周期的消耗，如产品生产过程中原材料消耗、工时消耗等，以降低生产成本。

并行工程的目标是提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。

并行工程的具体做法是：在产品开发初期，组织多种职能协同工作的项目组，使有关人员从一开始就获得对新产品需求的要求和信息，积极研究涉及本部门的工作业务，并将相应的要求提供给设计人员，使许多问题在开发早期就得到解决，从而保证了设计的质量，避免了大量的返工浪费。

并行工程强调以下3点。

（1）在产品的设计开发期间，将概念设计、结构设计、工艺设计、最终需求等结合起来，保证以最快的速度按要求的质量完成。

（2）各项工作由与此相关的项目小组完成。进程中小组成员各自安排自身的工作，但可以随时或定期反馈信息，并对出现的问题协调解决。

（3）依据适当的信息系统工具，反馈与协调整个项目的进行。利用现代CIM技术，在产品的研制与开发期间，辅助项目进程的并行化。

6.综合集成法

1990年初，钱学森等首次把处理开放的复杂巨系统的方法命名为从定性到定量的综合集成法。综合集成是从整体上考虑并解决问题的方法论。钱学森指出，这个方法不同于近代科学一直沿用的培根式的还原论方法，是现代科学条件下认识方法论上的一次飞跃。

开放的复杂巨系统，是由我国科学家钱学森于1990年提出的概念，并认为复杂性问题实际上是开放复杂巨系统的动力学特性问题。

钱学森等提出从系统的本质出发对系统进行分类的新方法，并首次公布了“开放的复杂巨系统”这一新的科学领域及其基本观点。从系统的本质出发，根据组成子系统及子系统种类的多少和它们之间关联关系的复杂程度，可以把系统分为简单系统和巨系统两大类。

（1）如果组成系统的子系统数量比较少，它们之间的关系比较单纯的系统称为简单系统，如一台测量仪器。

（2）如果子系统数量非常巨大（如成千上万），则称作巨系统。

（3）如巨系统中子系统种类不太多（几种、几十种），且它们之间的关联关系又比较简单，就称作简单巨系统，如激光系统。

（4）如果子系统种类很多并有层次结构，它们之间的关联关系又很复杂，这就是复杂巨系统，如果这个系统又是开放的，就称作开放的复杂巨系统（Open Complex Giant Systems）。

开放的复杂巨系统的一般基本原则与一般系统论的原则相一致：一是整体论原则；二是相互联系的原则；三是有序性原则；四是动态原则。

开放的复杂巨系统的主要性质可以概括为：

（1）开放性。系统对象及其子系统与环境之间有物质、能量、信息的交换。

（2）复杂性。系统中子系统的种类繁多，子系统之间存在多种形式、多种层次的交互作用。

（3）进化与涌现性。系统中子系统或基本单元之间的交互作用，从整体上演化、进化出一些独特的新性质，如通过自组织方式形成某种模式。

（4）层次性。系统部件与功能上具有层次关系。

（5）巨量性。数目极其巨大。

钱学森教授在1992年又提出建设从定性到定量的综合集成研讨厅体系的设想。指出研究和解决开放的复杂巨系统的方法应以系统论为指导。综合集成研讨厅体系就其实质而言，是将专家群体（各方面的专家）、数据和各种信息与计算机、网络等信息技术有机结合起来，把各种学科的科学理论和人的认识结合起来，由这三者构成的系统，这个系统是基于网络的。

应用综合集成法对开放的复杂巨系统进行探索研究，成为系统科学发展的里程碑，开辟了系统科学新的发展方向和研究领域。综合集成方法的主要特点有：

（1）定性研究与定量研究有机结合，贯穿全过程。

（2）科学理论与经验知识结合，把人们对客观事物的知识综合集成解决问题。

（3）应用系统思想把多种学科结合起来进行综合研究。

（4）根据复杂巨系统的层次结构，把宏观研究与微观研究统一起来。

（5）必须有大型计算机系统支持，不仅有管理信息系统、决策支持系统等功能，而且还要有综合集成的功能。

7.WSR系统方法

WSR是物理（Wuli）-事理（Shili）-人理（Ren1i）方法论的简称，是中国著名系统科学专家顾基发教授和朱志昌博士于1994年在英国HULL大学提出的。它既是一种方法论，又是一种解决复杂问题的工具。在观察和分析问题时，尤其是观察分析具备复杂特性的系统时，WSR体现其独特性，并具有中国传统哲学的思辨思想，是多种方法的综合统一。根据具体情况，WSR将多种方法条理化、层次化，起到化繁为简之功效；属于定性与定量分析综合集成的东方系统思想。

顾名思义，WSR是物理、事理和人理三者如何巧妙配置、有效利用以解决问题的一种系统方法论。“懂物理、明事理、通人理”就是WSR方法论的实践准则，形容一个人的“通情达理”，就是对其成功实践了WSR的概括。

WSR系统方法论的内容易于理解，而具体实践方法与过程应按实践领域与考察对象而灵活调整。WSR方法论一般工作过程可理解为这样的7步：理解意图、制定目标、调查分析、构造策略、选择方案、协调关系和实现构想。

这些步骤不一定严格依照顺序，协调关系始终贯穿于整个过程。协调关系不仅仅是协调人与人的关系，实际上协调关系可以是协调每一步实践中物理、事理和人理的关系；协调意图、目标、现实、策略、方案、构想间的关系；协调系统实践的投入、产出与成效的关系。这些协调都是由人完成的，着眼点与手段应根据协调对象的不同而有所不同。

有关处理物理的方法主要应用自然科学中的各种科学方法。而事理主要使用各种运筹学、系统工程、管理科学、控制论和一些数学方法。特别是近年来软计算方法（进化计算、模糊计算和网络计算等），各种模型和仿真技术等，还有一些定性方法以及定性和定量结合的方法，如特尔斐法、层次分析法都是经常采用的。

人理可以细分为关系、感情、习惯、知识、利益、斗争、和解、和谐和管理等。

（1）关系。人之间都有相互关系，需要去深入了解，并将它们适当表示出来。

（2）感情。人之间是有感情的，可以用各种方法直接或间接地找出来。

（3）习惯。人们在待人、处世、办事和做决策时都有一定的习惯，就像物体运动时会有惯性。人们可以从一个人过去的习惯去判断这个人会怎样做事，也可以改造一些不好的习惯，建立一些好的习惯。

（4）知识。人能拥有知识和创造知识的能力，因此找到知识的表达，特别是把隐性知识如何变成更多人可以掌握的显性知识。

（5）利益。不同人有不同的利益，如何去协调，争取利益。

（6）在协调管物、管事中人的管理。例如，在计划协调技术和统筹法中，要安排好项目中的时间、设备，同时还要考虑人的资源。